純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

不管是說起特斯拉還是蔚來汽車的動力系統,我們都能聽到異步電機、永磁同步電機這兩個關鍵詞,那麼搭載了這兩種不同技術的電機有什麼優缺點呢?今天,就通過特斯拉Model S車型來一起聊一聊吧。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

當然,我們先來了解一下純電動汽車的工作原理:電池通過控制系統向電動機供電,在電動機中將電能轉換為機械動力並傳給系統,最後傳送給驅動車輪,使驅動車輪轉動,並通過與地面間的相互作用產生使汽車行駛的牽引力。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

瞭解完工作原理後我們就直接進入今天的主題,2019款特斯拉Model S長續航版前軸搭載的是永磁同步電機,後軸搭載的是交流異步電機,同步電機與異步電機的最大區別就在於兩者轉子速度是不是與定子旋轉的磁場速度一致,如果轉子的旋轉速度與定子是一樣的,那就叫同步電機,如果不一致,就叫異步電動機,具體到性能參數以及應用,兩者有很大的區別。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

永磁同步電機主要是由轉子、端蓋及定子組成。一般來說,永磁同步電機的最大特點是它的定子結構與普通的感應電機的結構非常的相似,而主要是區別於轉子的獨特結構與其它電機形成了差別。和常用的異步交流電機的最大不同則是轉子獨特的結構,在轉子上放有高質量的永磁體磁極。當電動機的三相定子繞組通入三相對稱交流電後,將產生一個旋轉磁場,該旋轉磁場切割轉子繞組,從而在轉子繞組中產生感應電流(轉子繞組是閉合通路),載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力,從而在電機轉軸上形成電磁轉矩,驅動電動機旋轉,並且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。當導體在磁場內切割磁力線時,在導體內產生感應電流,“感應電機”的名稱由此而來。感應電流和磁場的聯合作用向電機轉子施加驅動力。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

異步感應電機的結構可以分為定子、轉子兩大部分,此外還有端蓋、風扇等附屬部分。定子就是電機中固定不動的部分,轉子是電機旋轉部分。由於異步電動機的定子產生勵磁旋轉磁場,同時從電源吸收電能,併產生且通過旋轉磁場把電能轉換成轉子上的機械能,所以與直流電機不同,交流電機定子是電樞。另外,定、轉子之間還必須有一定的間隙(稱為空氣隙),以保證轉子自由的轉動。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

通過上圖我們可以看出同步電機與異步電機結構與特點上的區別

同步電機優點:

1、轉子無勵磁繞組,所以無轉子銅耗,因此效率較高;

2、高性能永磁材料提供勵磁,給定功率小,體積可以減小;

3、轉子轉動慣量小,故動態性能好;

4、低效率時較大的功率和轉矩輸出。

同步電機缺點:

成本高,可靠性低,加工工藝複雜,機械強度差,電動車性能受環境影響大。

異步電機優點:

1、 無永磁高溫退磁問題,可以將峰值功率、額定功率、峰值功率工作時間延長。

2、 電機特性受環境影響小;

3、 自身就具有啟動高轉矩、高速轉矩調整;

異步電機缺點

轉子磁場來自定子勵磁,存在銅耗,能量轉化率比永磁同步電機低。

使用交流異步感應電機的純電動汽車

從電機的特性來說,配備交流異步電機的電動汽車更傾向於性能策略,充分利用這種電機在高轉速下的性能輸出和效率優勢,比如早期的Model S。其特性是:當汽車處於高速行駛時,其能夠保持高速運轉和高效的電能使用效率,在為汽車保持最大動力輸出的同時,減少能耗。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

使用永磁同步電機的純電動汽車

配備永磁同步電機的車型更傾向於能耗策略,充分利用這種電機在低速階段的性能輸出和高效運轉,適用於中小型車。其特點是體積小、重量輕,可以大大增加電動汽車的續航里程。並且其調速性能特別好,在面對反覆啟停、加減速時,仍能夠保持較高效率。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

異步感應電機和永磁同步電機,它們都有各自的優勢,所以一些主機廠就開始考慮綜合兩種電機的特性進行匹配。比如2019款特斯拉Model S長續航版就同時搭載了兩種電機技術,滿足了不同電機在不同工作狀態時上的技術優勢。前軸搭載的是經過優化的偏向於低速高效率的永磁同步電機,最大輸出功率為202kw(275Ps),最大扭矩為404N·m,當車速處於中低速時,電腦輸出指令永磁同步電機進行工作。後軸搭載的是偏向於高速性能的交流異步電機,最大輸出功率為285kw(387Ps),最大扭矩為440N·m,需要高速工況時,雙電機同時進行工作,提供強大的加速性能,當減速時智能根據制動需求進行電機調配。普通制動由永磁同步電機進行制動能量回收,急減速則由雙電機同時提供製動扭矩時回收能量。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

當然,2019款Model S採用這種策略也是基於小改款的開發思路。如果是換代開發,特斯拉勢必會為Model S搭載永磁開關磁阻電機。這種新型電機技術,它具有體積小、成本低、功率高等特點,轉化效率已經達到了89%。特斯拉已經將他搭載在最新的Model 3上。

純電動汽車搭載的交流異步電機與永磁同步電機有何區別?

綜 述

異步感應電機和永磁同步電機有各自的優點、缺點。當汽車處於高速行駛時,異步感應電機能夠保持高速運轉和高效的電能使用效率。而在面對反覆啟停、加減速時,調速性能好的永磁同步電機仍能夠保持較高效率。而關於電機的選擇,取決於主機廠最終的車型的定位以及能耗的策略。但是從目前電機技術的發展來看,特斯拉已經走在了行業的前列。


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